说明

    嵌入式电子产品都是由一些电路（处理器或其他集成电路）互连形成的。 为了在这些电路之间交换信息，他们必须遵循一个共同的通信协议。目前已经有数百种这类通信协议， 在一般地，这些协议可以分为两大类：并行通信协议或串行通信协议。

并行与串行

    并行接口同时传输多个比特的。他们通常用到八、十六、或更多位的数据总线。

一个8位数据总线，和一个时钟线，9条信号线构成并行接口。

    串行接口通过一次一个位的数据流形式传输。这些接口可以最少只用一条信号线， 通常不会超过四条。

一个串行接口实例，只需要2条信号线！

    如果把两种接口比作车流：并行接口将是8 车道大型公路，而串行接口更像是 一个双车道农村公路。一段时间内，大型公路可将更多的人到他们的目的地，但农村公路只需要少量建设资金。

    并行通信自然有它的好处。它的快速，简单，比较容易实现。但它需要更多的 输入/输出（I/O）线。如果你曾经将做过单片机项目，你就知道I/O线可是珍贵的资源。所以，我们通常会牺牲一些速度， 选择串口通信。

异步串行

    多年来，已经发展出几十个满足嵌入式系统的特殊需求的串口协议。 比较有名的有USB总线和以太网，其他常见的串行接口包括SPI、I2C，和接下来我们要讨论的一些接口。 这些串行接口可以分为两类：同步或异步。

    同步串行接口总是有一个独立的时钟信号线，同步串行总线上的设备共享同一个时钟。 这使得其居于更快的传输速率，但它相比异步串口，多用一条信号线。同步接口的例子包括SPI，I2C.

    异步意味着数据传输不需要额外时钟信号支持。 这种传输方法能最大限度地减少所需的信号线和I/O引脚，但这意味着我们要把一些额外的措施， 来保证可靠地传送和接收数据。我们将在本教程中讨论的是异步传输的最常见的一种协议。 事实上，当大多数人说“串行通讯”的时候，他们说的就是指这个协议。

    这种没有独立时钟线的串行协议广泛地应用于嵌入式电子。如果你想添加一个GPS模块、 蓝牙、XBee，串口液晶显示器，或其他外部设备到你的项目，你可能需好好了解一下这个串行协议。

串行参数

    异步串行协议有一些内置的规则参数，来确保可靠和无差错的数据传输。 这些参数包括：

• 数据位，
• 位同步，
• 奇偶校验位，
• 和波特率。

    通过对这些参数的变化，你会发现发送数据串的方法有很多种变化， 该协议是高度可配置的。关键是确保串行总线上的所有器件配置相同的协议参数。

波特率

    波特率指定通过串行线发送数据的速度发送数据的速度。 它通常以比特每秒（bps）为单位表示。波特率的倒数，就是发送一个比特究竟需要多长时间。 这个值决定了每发送一位数据，发射机将串行线置高或置低多长时间，也决定接收机什么时候采样信号线。

    波特率可以是在合理的范围内取任何值。唯一的要求是，收发设备运行在相同的速率上。 在速度不是关键的应用场合，9600(bps)是一个十分常用的选择。其他的“标准”波特率有 1200, 2400, 4800，19200, 38400, 57600，和115200(bps)。

    选择更高的波特率，就能更快地发送/接收数据，但这也有限制，在多数单片机系统中， 你通常不会看到速度超过115200的。波特率太高了，你会在接收端的看到错误，因为单片机时钟和采样周期不能跟上。

帧数据

    每一块（通常是一个字节）数据传输，实际上是发送一包或帧 的比特流。我们通过在数据上添加同步和奇偶校验位来构建帧。

一个串行帧。一些符号在框架具有可配置的点尺寸。

    让我们来分析一下这些帧的细节。

数据块

    每一个串行数据帧中真正“有用”的东西是数据块。数据块的大小没有 具体规定，一般可以是从5到9位。当然，最标准、最常用的数据大小是8位。但其他尺寸有也其用途。 有时7位数据块可以比8更有效，特别是如果你只是传输7位ASCII字符时。

    约定一个字符（数据块）的长度后，串行设备还需要约定数据的大小端 也就是最先发送数据的最高有效位（MSB）还是最低有效位（LSB）？如果没有规定， 通常可以假定为小端数据,即最先发送最低有效位（LSB）。

同步位

    同步位是两个或三个特殊数据位。他们是起始位和停止位（）。 正如它们的名字所示，这些位是数据帧开始和结束的标记。起始位只有一位，而停止位可以有一位或两位 （最常用的还是一位）。

    起始位总是由一个空闲状态(1)转变到0，而停止位将转回到空闲状态(1)并被保持。

校验位

    奇偶校验是一种非常简单的、基本的错误检查方法。它有两种：奇校验或偶校验。 它以校验位同有效数据中包含的“1”的个数是奇数个(奇校验)或偶数个(偶校验)来定， 例如，假设被校验的数据字节是0b01011101，它具有奇数（5）个“1”， 如果采用偶校验，校验位将被设置“1”，凑成总数6个“1”。相反， 如果采用奇校数，校验位将被设置“0”。

    奇偶校验是可选的，并没被很广泛地应用。它适合嘈杂的传输媒介， 但它也会减慢数据传输效率，还要求发送机和接收机实现错误处理机制（通常，接收数据失败，必须重新发送）。

9600 8N1（例）

    9600 8N1 -波特率9600，数据位8，无奇偶校验，1个停止位是一个比较常用 的串行协议。让我们用一个例子来看看两个9600 8N1数据包会什么样的？

    一个设备要发送ASCII码字符“O”和“K”,它会创建两个数据包。 ASCII码o（这是大写）的值为79，可分解成一个8位二进制值01001111， 而K的二进制值01001011。剩下的就是添加同步位。

    这里没有特别规定，我们假定最低有效位先传输。 注意，每个字节是从右到左读取发送的。

    因为我们的波特率是9600，所以，发送每所花的时间是104μs。

    对于数据传输的每一个字节，实际上有10位被发送：一个起始位， 8个数据位和一个停止位。因此，在9600个波特率，实际上我们发送每秒9600比特，包含960（9600/10） 字节有效数据。

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    现在你已经知道如何构建串行数据包了，接下来我们可以转到硬件部分。 看看那些“1”和“0”是如何在应将上实现的！

硬件连线

    串行总线只包括两根信号线-一个用于发送数据，另一个用于接收。 因此，串行设备应该有两个串口引脚：发送TX和接收RX。

    需要注意，这些RX和TX标签是相对于设备本身来定义的。 因此，一个设备的RX应该连接到另一设备的TX，反之亦然。如果你习惯了将VCC同VCC、GND同GND，MoSi同MOSI链接， 可能对此会有疑惑。但如果你仔细想想，发射端应该和接收端链接，而不到另一个发射端。

    对于双方都能发送数据的串行接口，发送和接收数据的方式可以是 全双工或半双工的。全双工是指设备可以同时发送和接收。 半双工通信方式是指串行设备必须轮流发送和接收。

    有些场景下，发送和接收装置之间只有一根信号线。例如， 一些串行功能的液晶显示器，它没有任何数据需要传递给控制装置。这是所谓的简单串行通信。 所有你需要的是从主设备的TX到液晶显示器的RX单线链接。

硬件实现

    我们已经了解了异步串行的概念。知道我们需要的信号线。但真正的串行通信信号电平是如何规定的呢？ 实际上。有多种各的串行信号电平标准。让我们看几个系列很流行的硬件实现看：逻辑电平（TTL）和RS-232。

    微控制器和其他低级别的集成电路串行通讯时，他们通常采用TTL（晶体管-晶体管逻辑）电平。 TTL串口信号电平在0V到单片机的电源电压(3.3V或5V等)之间变化，信号在VCC（3.3V，5V等）表示一个 “1”，在0V（接地）时表示一个“0”。

    RS-232接口，在一些老的计算机和外设上很常见，它的信号电平象TTL电平的翻转版本。 RS-232信号通常介于-13V和13V之间（虽然规范允许有±3V至±25V）。这些信号的低电平（-5V，-13V，等）表明“1”， 高电平（5V，13V，等）表明“0”。这刚好同TTL电平相反。

    在这两个串行电平标准之间，嵌入式电路中TTL更容易实现。然而，较低的信号电平等级 更容易在长距离输电线路上损耗。RS-232、RS-485或更复杂的标准，更适合长距离串行传输。

    当你将两个串行设备连接在一起时，确保其信号电平匹配很重要。 你不能直接将TTL串口同RS-232链接。

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    继续，我们将探讨微控制器将并行数据转换成串行的接口电路——通用异步收发器(UART)！

通用异步收发器(UART)

    一个通用异步接收器/发送器（UART）是一块负责实现串行通信的电路。 从本质上讲，UART是并行和串行接口之间的中介。UART的一端是一个（通常是8位）并行数据总线和一些控制引脚， 另一端是两个串行信号线RX和TX.

简单的UART接口，并行==>串行。

    有独立的集成电路的UART，但更常见的是集成在单片机内部。 你要查看你的单片机的数据手册来了解它是否具有UART。有些单片机没有UART，有些有很多。

    UART负责发送和接收串行数据。在发送端，UART必须创建数据包、 添加同步和奇偶校验位，对发送分帧精确定时（根据设定的波特率）。在接收端，UART要根据 预期的波特率采样Rx线，找出同步位，并吐出有效数据。

一个UART的内部框图

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    更先进的UART可以把接收到的数据存储到一个缓冲区， 在那里,等待单片机把它们取走。UART通常会以先入先出（FIFO）释放缓冲数据。 缓冲区可小到几位，或大到几千字节。

软件UART

    如果一个单片机没有UART（或者UART不够用），串行接口数据的位脉冲 可由处理器直接控制。

常见的错误

    对所有有串行通信。任何经验水平的工程师很容易犯一些常见的错误

RX接TX、TX接RX

    看起来很简单，但时常会弄错，我自己也不止一次犯此错误。

波特率不匹配

    波特率就象串行通信的语言。如果两个设备工作到不在波特率， 数据会被曲解。如果你发现所有的接收装置收到的都是垃圾数据，请检查确定波特率是否匹配。

数据以9600波特率发送，以19200波特率接收。波特失配=垃圾数据。